Guida alla progettazione degli alloggiamenti per sensori automotive: materiali, spessore di parete e tolleranze

Quasi ogni alloggiamento per sensore automotive in produzione è un guscio in acciaio inossidabile imbutito. Questa guida illustra cosa comporta tutto ciò per l'imbutitura: quale grado si adatta a quale sensore, quanto può essere sottile una parete imbutita, le tolleranze che determinano se il pezzo si assembla correttamente e i punti di progettazione che causano la maggior parte degli scarti negli alloggiamenti per sensori. È scritta per l'ingegnere o l'acquirente che deve rilasciare un disegno di un alloggiamento ed è la stessa verifica che Balford applica durante il DFM.

Se disponete già di un disegno,inviarlo per una revisione DFMe torneremo da voi con il materiale, la sequenza di imbutitura e le caratteristiche che necessitano di controllo.

1. Cosa deve garantire un alloggiamento per sensore

Un alloggiamento per sensore non è un componente estetico. La sua funzione è meccanica e viene valutato in base a quattro aspetti:

Individuare l'elemento sensore.L'elemento deve trovarsi in una posizione nota rispetto alla filettatura di montaggio o al bossaggio, ogni volta, su milioni di pezzi.
Tenuta verso il fluido.Il liquido refrigerante, l'olio, il carburante o i gas di scarico non devono raggiungere l'elemento né fuoriuscire dall'alloggiamento.
Resisti all'ambiente.Sale stradale, polvere dei freni, impatti di pietrisco, liquido refrigerante a base di glicole, miscele di carburante, cicli termici e vibrazioni, per tutta la vita del veicolo.
Realizzatelo con uno spessore di parete con cui il produttore del sensore possa lavorare.Le pareti sottili sono ciò che rende possibile un sensore leggero e dalla risposta rapida, e sono anche ciò che rende difficile l'imbutitura del pezzo.

2. Perché circa il 99% dei contenitori per sensori automobilistici è in acciaio inossidabile

Il numero è ormai quasi universale, perché l'alternativa fallisce in modo prevedibile. Un alloggiamento in acciaio al carbonio deve essere placcato per resistere al liquido refrigerante e al sale stradale; il rivestimento ha una tolleranza di spessore che si somma a quella della parete; il rivestimento è più sottile proprio dove conta, ovvero sui bordi tagliati e sulle filettature; e la placcatura di un componente ad alta resistenza introduce il rischio di infragilimento da idrogeno. L'acciaio inossidabile è resistente alla corrosione in tutta la sua sezione, quindi nessuno di questi problemi si presenta.

Requisito	Acciaio al carbonio rivestito	Acciaio inossidabile
Resistenza alla corrosione	Solo dove il rivestimento è intatto	Attraverso l'intera sezione della parete
Tolleranza di spessore	Parete + rivestimento, due tolleranze da rispettare	Solo parete
Bordi tagliati e filettature	Rivestimento più sottile, primo a corrodersi	Non influenzato
Infragilimento da idrogeno	Rischio su componenti ad alta resistenza dopo la placcatura	Non applicabile
Fase di processo aggiuntiva	Placcatura, più trasporto e ispezione in entrata	Solo passivazione
Impiego su scarico ad alta temperatura	Non adatto	304 / 310S omologati per temperature di scarico

3. Quale grado di acciaio inossidabile per quale sensore

Tipo di sensore	Grado	Motivo
Ossigeno / lambda, a monte	304, 310S	Fino a 900 °C di gas di scarico e shock termico all'avviamento
NOx	304, 310S	Alte temperature e condensa acida
Temperatura dei gas di scarico (EGT)	304, 316L, 310S	Temperature elevate continue con vibrazioni
ABS / velocità ruota	304, 316L	Sale stradale, polvere dei freni e impatti con pietre; amagnetico, quindi non interferisce con il segnale target
Temperatura del liquido refrigerante / dell'acqua	Ottone(C3604, C3771) oppure acciaio inossidabile 304 / 316L	L'ottone conduce il calore circa 10× più rapidamente dell'acciaio inossidabile, quindi il pozzetto termometrico risponde prima - vedialloggiamenti in ottone per sensori di temperaturaL'acciaio inossidabile subentra là dove i cloruri o un refrigerante aggressivo escludono l'ottone
Pressione dell'olio / del carburante e pressione del rail	304, 316L	Compatibilità con carburanti, oli e additivi in condizioni di pressione
Posizione, velocità, camma o manovella (circuito magnetico)	430 / 1.4016	L'acciaio inossidabile ferritico è magnetico e può costituire il percorso di ritorno

La scelta tra materiale magnetico o non magnetico è una decisione progettuale, non una questione di costo.I tipi 304 e 316L sono praticamente non magnetici e rappresentano la scelta giusta laddove l'alloggiamento non deve interferire con un campo magnetico. Dove l'alloggiamentoèparte del circuito magnetico, l'acciaio inossidabile ferritico 430 è il materiale impiegato - e di conseguenza la progettazione deve tenere conto sia delle proprietà magnetiche che delle dimensioni.

4. Limiti di spessore della parete e rapporto di imbutitura

La maggior parte degli alloggiamenti dei sensori automobilistici viene imbutita con una parete compresa tra circa0,3 mm e 1,0 mm, a seconda del diametro, della qualità del materiale e se la parete viene assottigliata deliberatamente durante l'imbutitura.

Spessore inizialeè determinato dalla resistenza richiesta dall'alloggiamento, non dall'imbutitura. Un grezzo più sottile si imbutisce più facilmente ma potrebbe non sostenere la filettatura o la superficie di tenuta.
Assottigliamento della pareteLa (riduzione a parete) viene utilizzata quando lo stampaggio profondo richiede una parete più sottile rispetto allo sbozzato. Richiederla esplicitamente: se non viene specificata, un fornitore normalmente lascerà la parete allo spessore dello sbozzato e il pezzo risulterà più pesante rispetto a quanto previsto dal disegno.
Rapporto di imbutituradetermina il numero di stadi. L'acciaio inossidabile si incrudisce rapidamente, quindi la prima imbutitura è generalmente più conservativa rispetto a quanto lo sarebbe per l'acciaio da imbutitura profonda, e gli stadi successivi richiedono meno.
Ricottura intermediaè necessario quando la sequenza non può raggiungere il diametro finale senza che il materiale superi il proprio limite di formatura. Si tratta di un costo di processo, che va pianificato anziché scoperto in fase di tryout.
Il raggio conta più del tonnellaggio.Un raggio di stampaggio troppo stretto concentra le sollecitazioni e provoca cricche sulla parete verticale; un raggio troppo ampio genera grinze sulla flangia. Il margine operativo si restringe quanto più la qualità del materiale tende a incrudirsi.

5. Tolleranze che determinano se l'alloggiamento si assembla

Le tolleranze generali seguono il disegno. Dove il disegno non specifica, lavoriamo secondo ISO 2768-m e segnaliamo le caratteristiche che richiedono un controllo più stretto già in fase di DFM. In pratica, cinque caratteristiche determinano se un alloggiamento per sensore funziona:

Caratteristica	Perché è importante	Come viene verificato
Spessore della parete	Resistenza, profondità della filettatura, peso e proprietà magnetiche	Micrometri per esterni e per interni a tre punti
Concentricità / eccentricità	L'elemento risulta fuori asse se l'alesaggio e il diametro esterno non sono coassiali.	Calibro di concentricità
Passo della filettatura e verifica con calibri	L'alloggiamento deve avvitarsi nel bossolo e garantire la tenuta	Calibri a tampone per filettature go / no-go
Finitura della superficie di tenuta	La tenuta dipende dalla finitura superficiale, non solo dalla dimensione	Misuratore portatile di rugosità superficiale (Ra)
Lunghezza e profondità dei gradini	Imposta la profondità di inserimento dell'elemento nel fluido	Calibri digitali per profondità e altezza

6. Caratteristiche progettuali che causano la maggior parte degli scarti dei contenitori per sensori

Un raggio tracciato più stretto di quanto la classe di materiale consenta.La causa singola più comune di pareti dritte incrinate. Aprire il raggio dello stampo o aggiungere una fase.
Uno spessore di parete specificato senza indicare come viene ottenuto.Se il disegno richiede una parete da 0,4 mm partendo da una lamiera grezza da 0,8 mm, specificare "ironed" (imbutitura con riduzione di spessore) - altrimenti il pezzo arriva a 0,8 mm.
Una filettatura indicata su una parete trafilata troppo sottile per sostenerla.L'ingaggio della filettatura richiede materiale. Occorre quindi ispessire localmente la parete oppure spostare la filettatura su una lavorazione meccanica dedicata.
Una superficie di tenuta lasciata come da disegno.Una superficie imbutita è di norma troppo rugosa per garantire la tenuta; specificare la finitura e assicurarsi che il ciclo di lavorazione includa una passata di asportazione truciolo o di coniatura.
Requisiti magnetici che emergono dopo l'attrezzaggio.Se l'alloggiamento fa parte di un circuito magnetico, il grado del materiale e il ciclo di ricottura costituiscono parte integrante della progettazione, non un adeguamento successivo alla realizzazione dell'attrezzatura.
Limiti di pulizia e bava lasciati non specificati.Gli elementi sensoriali sono sensibili alle particelle libere; indicare il requisito di pulizia sul disegno.

7. Cosa indicare nel disegno

Grado del materiale e se l'alloggiamento deve essere non magnetico o magnetico
Spessore iniziale, spessore finale della parete e se la parete è sottoposta a ironing
Concentricità o eccentricità tra l'alesaggio e il diametro esterno
Specifica della filettatura e il calibro che verrà utilizzato
Finitura della superficie di tenuta (Ra) e della superficie che deve garantire la tenuta
Requisiti di pulizia e assenza di bave
Qualsiasi requisito di trattamento termico, ricottura o passivazione
Volume annuo e dimensione prevista del lotto: questo determina se lo stampo deve essere di tipo progressivo, a transfer o a operazione singola

Inviate il disegno con questi punti e la revisione DFM potrà essere specifica anziché generica. Balford dispone di capacità di pressatura da 25 t a 350 t, imbutitura fino a Ø250 mm e produce internamente le proprie attrezzature, pertanto la revisione restituisce una pressa, un concept di stampo e una sequenza di fasi anziché un elenco di domande.

Domande frequenti

Tutti gli alloggiamenti dei sensori sono realizzati in acciaio inossidabile?

Circa il 99% dei contenitori per sensori automobilistici è in acciaio inossidabile. Le eccezioni sono solitamente contenitori non esposti a un mezzo corrosivo, oppure contenitori in ottone per sensori di temperatura del liquido di raffreddamento, dove il comportamento termico e galvanico è accettabile. L'alluminio viene utilizzato per alcuni corpi di sensori di pressione, dove il peso conta più del margine di resistenza alla corrosione.

È possibile ottenere un alloggiamento per sensore in acciaio inossidabile mediante imbutitura profonda anziché lavorazione meccanica?

Sì, e in genere l'imbutitura è molto più economica in volumi elevati. Un contenitore imbutito forma il guscio in un unico pezzo, senza trucioli e senza lavorazione del profilo esterno; la lavorazione meccanica si limita quindi alla superficie di tenuta, alla filettatura o a un foro che deve essere mantenuto entro una tolleranza più stretta di quanto la formatura possa garantire. La scelta dipende solitamente dal volume annuo e da quanto sono strette le tolleranze sui diametri critici.

Quanto può essere sottile una parete in acciaio inossidabile imbutita a freddo?

Gli alloggiamenti per sensori presentano comunemente uno spessore di parete da 0,3 mm a 1,0 mm. Al di sotto di circa 0,3 mm i fattori limitanti sono la movimentazione, l'impegno della filettatura e il rischio che la parete si deformi durante il montaggio, piuttosto che il processo di imbutitura stesso.

Qual è la differenza tra 304 e 316L per un alloggiamento sensore?

Entrambi sono austenitici e non magnetici. Il 316L contiene molibdeno, che migliora la resistenza ai cloruri e ad alcuni fluidi di processo, ed è quindi preferito quando l'alloggiamento è esposto a sale stradale, nebbia salina o chimica aggressiva del refrigerante. Il 304 è adeguato alla maggior parte delle applicazioni con refrigerante e alle condizioni di temperatura ed è più economico. Con il 316L, il maggiore contenuto di lega rende anche la formatura leggermente più difficoltosa, il che può modificare il numero di stadi di imbutitura.

Un alloggiamento per sensore in acciaio inossidabile necessita di passivazione?

Sì, se il componente è stato lavorato alle macchine, rettificato o manipolato con attrezzature in acciaio al carbonio. La passivazione rimuove il ferro libero dalla superficie in modo che lo strato di ossido di cromo possa riformarsi, ed è ciò che impedisce a un piccolo punto di contaminazione di trasformarsi in una pit di corrosione.